Metalli e acciai - Definizioni e caratteristiche

In questo appunto verranno affrontati tutti gli argomenti relativi ai metalli, acciai e le prove utilizzate per la caratterizzazione dei materiali in questione, attraverso approfondimenti e chiarimenti sulle proprietà e caratteristiche principali.

I metalli

I Metalli e le leghe metalliche hanno proprietà tecnologiche di indubbia utilità e per questo trovano moltissime applicazioni industriali. Per quanto riguarda le leghe, esse possono essere suddivise in due classi differenti.

• Leghe Ferrose a base di
  [math]Fe_2[/math]
• Leghe non Ferrose a base di altri metalli

Il Fe e le sue leghe (in particolare gli acciai e le ghise) rappresentano circa il 90% della produzione mondiale di materiali metallici. Ciò è dovuto alla loro buona combinazione di resistenza meccanica, tenacità e duttilità, abbinata a costi relativamente contenuti rispetto ad altri materiali che risultano essere molto più pregiati.

Le leghe ferrose

Le principali leghe del ferro sono due principalmente. La prima lega è rappresentata dagli Acciai, la seconda dalle Ghise. Entrambe sono essenzialmente leghe Ferro Carbonio e si differenziano poiché gli Acciai hanno una percentuale di carbonio che risulta minore del %, mentre le ghise possiedono una percentuale che risulta maggiore del %. Gli Acciai sono soprattutto leghe da lavorazione plastica cioè la forma dei semilavorati o degli oggetti finali viene ottenuta attraverso lavorazioni di deformazione plastica, a caldo o a freddo laminazione, forgiatura, stampaggio e così via. Le Ghise sono invece leghe da fonderia gli oggetti finali sono ottenuti direttamente dalla lega liquida, che viene colata e solidifica in forme che riproducono, in negativo, la forma dell’oggetto.

Acciaio – Caratteristiche

Per acciaio si intende una lega costituita da ferro e carbonio. Il contenuto di carbonio in un acciaio deve essere compreso tra lo 0.10% e lo 0.25%.
Con il termine “ferro” possiamo intendere solo il metallo puro, e con questo termine possiamo indicare genericamente i vari acciai; invece quando si vuole specificare solo il dato tipo di acciaio con precise caratteristiche si ricorre alla denominazione esatta stabilita dalle norme UNI.
L’acciaio è un materiale duttile e molto tenace; il suo comportamento assicura una distribuzione uniforme delle tensioni in ogni parte della struttura sollecitata.

Le prove di caratterizzazione dei materiali

La prova più importante per determinare la qualità dell’acciaio è la “prova di trazione”.
Questa prova viene effettuata su una provetta inserita in una macchina e sottoposta a trazione fino alla rottura. Questa macchina dispone di un meccanismo automatico che riporta su un grafico il diagramma “sforzi – deformazioni”.
Questo diagramma ha un primo tratto rettilineo,elastico lineare, per cui in questo tratto le deformazioni risultano proporzionali ai carichi. Il secondo tratto del diagramma è una zona detta di “snervamento”; infatti il materiale ha dei bruschi cedimenti dovuti alla rottura di parte delle fibre e quindi l’allungamento diventa notevole anche se il carico non aumenta.
Nel terzo tratto, dopo la fase di snervamento, il carico aumenta gradualmente fino al massimo ottenibile, la deformazione è una “deformazione plastica”; infine la provetta si assottiglia gradatamente fino al collasso, che si verifica nel punto di maggiore contrazione.

La prova a compressione ha minore importanza per i materiali metallici come l’acciaio, in quanto i risultati che si ottengono sono all'incirca gli stessi di quelli ottenuti con la prova di trazione.

Classificazione degli acciai

Gli acciai possono essere genericamente suddivisi in due categorie:

• Acciai al Carbonio: sono Leghe Fe-C che contengono da una percentuale molto bassa (circa dallo 0,03% all’ 1-2 di Carbonio, e dal 0,25% all’ 1% di manganese e quantità minori di altri elementi quali Silicio oltre a Fosforo e Zolfo.
  Il manganese e il silicio sono aggiunti durante la produzione dell’acciaio in quanto disossidanti (il Mn è anche desolforante e comporta un aumento delle resistenza meccanica)
• Acciai Legati: che si differenziano in Acciai legati con almeno un elemento di lega che supera il 4-5%, e in acciai Basso legati con tutti gli elementi di lega che sono tra il 4 e il 5 %.

La classificazione degli Acciai al C maggiormente usata è quella americana AISI SAE. In base ad essa, un Acciaio è designato mediante un numero a 4 cifre le prime due per gli Acciai al C sono 10 le altre 2 indicano la percentuale di C presente moltiplicata per 100.

Un esempio è il seguente:

La sigla AISI SAE 1030 indica un acciaio al Carbonio con contenuto in C pari allo 0,30%.

Produzione dell'acciaio

All’uscita dell’altoforno la Ghisa viene colata direttamente in un contenitore mobile su rotaie tramite il quale viene
trasportata all’acciaieria. Un Altoforno è un forno del tipo “a tino” nel quale i minerale di partenza, sottoposti ad elevate T (intorno agli 800°C) e mescolati ad altre sostanze che ne facilitano la reazione, subiscono una riduzione e si trasformano in ghisa.
Il processo di preparazione dell’Acciaio consiste nella decarburazione della ghisa e nell’aggiunta di componenti che consentano di ottenere quel grado di durezza e resistenza desiderato.

In particolare, in questa fase, l’acciaio è ottenuto dalla ghisa per ossidazione del Carbonio e delle altre impurità presenti nella ghisa grezza, finché il contenuto di C nella miscela si riduce al livello richiesto. Tutto questo si ottiene riscaldando nuovamente la ghisa in appositi forni chiamati Convertitori. L’Acciaio fuso così ottenuto può essere colato dal convertitore sia in Lingottiere sia mediante colata continua ottenendo lunghe bramme tagliate di opportuna lunghezza. Dopo essere stati colati, i lingotti vengono riscaldati in un forno a pozzo e quindi vengono laminati a caldo in Bramme, o altre forme che porteranno poi, mediante una successiva laminazione a caldo o a freddo, ad ottenere nastri, lamiere, tondini, travi doppi T, rotaie ecc. Bisogna comunque dire che, oggi, più del 60 dell’acciaio grezzo è ottenuto con colata continua e si prevede che questa percentuale salga nel corso dei prossimi anni.

Diagramma Ferro-Carbonio

Il diagramma Fe-C contiene diverse fasi solide.

Ferrite α

Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CCC del
ferro ferro α ed è stabile fino a 910°C. Il Carbonio è solo parzialmente solubile nel ferro α con una solubilità allo stato solido massima dello 0,02% a 723°C e minima dello 0,00%5 a 0°C.

Austenite γ

Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CFC del ferro ferro γ ed è stabile finoa 1493°C. La solubilità del Carbonio nell’Austenite ha un massimo del 2,06% a 1148°C e diminuisce fino allo 0,8% a 723°C.

Ferrite δ

Questa fase è una soluzione solida interstiziale del carbonio nel reticolo CCC del ferro ferro δ. E quindi simile alla ferrite α ma si differenzia da questa ultima perché ha una maggior costante reticolare ed è stabile a T più elevate (fra 1390°C e 1534°C. La solubilità massima allo stato solido del carbonio si ha a 1495°C 0,09%.

Cementite o Carburo di Ferro

Fe e C possono interagire anche formando un “composto intermetallico” chiamato appunto Cementite Tale composto non è una fase di equilibrio in quanto, sotto certe condizioni, esso può decomporsi nelle fasi più stabili di ferro e carbonio (cristalli di grafite) Tuttavia, per la maggior parte delle condizioni pratiche il è molto stabile e quindi viene trattato come una fase di equilibrio. Ha una composizione del 6,67% di C del 93,3% di Fe ed un composto duro e fragile.

per approfondimenti sulla struttura cristallina vedi qui